JP5262045B2 - 電極の形成方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電極の形成方法及び半導体装置の製造方法に関し、特に還元性雰囲気を用いたリフロー処理を伴う電極の形成方法、及び当該電極を備えた半導体装置の製造方法に関する。

半導体集積回路素子などの半導体素子に於ける外部接続用電極、あるいは当該半導体素子が搭載された配線基板に於ける外部接続用電極の一つとして、球状の半田からなる突起電極が適用されている。

当該突起電極はバンプとも称され、半田からなる場合、その材料としては従来からの鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）系半田、あるいは当該鉛系半田に替えての錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系等の所謂無鉛（鉛フリー）半田が用いられている。当該半田は所謂低融点金属であって、半導体素子に対する形成方法(被着方法)としては、電解めっき法、無電解めっき法、ペースト転写法あるいは印刷法が適用されている。

これらの手段により被着された半田の形態は平板状、柱状あるいは茸状（マッシュルーム状）であることから、被着形成後に溶融（リフロー）処理が施されて、その外形形状が略球状を有する半田バンプとされる。

また、当該半導体素子を、当該半導体素子の主表面に形成された半田（従来の半田あるいは鉛フリー半田）バンプを用いて配線基板上の電極端子に接続する接続法は、当該半導体素子の主面（電子回路形成面）が当該配線基板の表面に対向することから、フリップチップ法あるいはフェイスダウン法と称されている。かかるフリップチップ法（フェイスダウン法）によって半導体素子を配線基板上に搭載する場合には、半田バンプを溶融（リフロー）するとともに、フラックスを使用して配線基板の端子表面に於ける酸化膜を除去し、清浄化する方法が採用されている。

このようなフラックスを使用した半田接続工程にあっては、前記半田バンプの接続後、固化したフラックスを有機溶剤により除去する必要がある。

しかしながら、少量の有機溶剤では、固化したフラックスを十分に分解することができず、また分解されて生じた生成物を完全に除去することができない。この為、当該有機溶剤の使用量の増加を招いてしまう。かかる有機溶剤の大量使用は、環境に悪影響を与える恐れがある。

一方、半導体素子は、その高集積化・微細化に伴い、半田バンプの大きさ（高さ）が縮小化される方向にあり、当該半導体素子と回路基板との間隔がより狭くなりつつある。

また、当該半導体素子は高機能化・多機能化が求められ、その外形寸法の大形化（大チップ化）が生じており、配線基板との対向面積が増加してしまう傾向にある。従って、前記有機溶剤を用いての洗浄処理を実施することがより困難となりつつある。

この為、近年、水素（Ｈ_２）あるいは蟻酸（ＨＣＯＯＨ）などを還元剤として用い、洗浄処理を必要としないリフロー処理方法が提案されている。

例えば、還元性ガス雰囲気中に於いてクリーム半田をリフローする方法の一つとして、主として水素（Ｈ_２）からなる還元性ガス雰囲気を有する容器内に於いて、リフロー処理を行う方法が提案されている。（特許文献１参照）
一方、還元剤として蟻酸（ＨＣＯＯＨ）を用いる半田リフロー工程を有する半導体装置の製造方法として、半導体装置の金属膜の上に半田層を形成し、当該半導体装置及び半田層を、蟻酸を含み且つ減圧された雰囲気中に配置して、当該雰囲気中に於いて前記半田層を加熱溶融し、しかる後前記雰囲気を排気するとともに半田の融点未満で且つ蟻酸の沸点以上の温度に於いて半田層を所定時間保持することが提案されている。（特許文献２参照）
特開平６−２２６４３７号公報 特開２００１−２４４２８３号

ところで、前述の電解めっき法、無電解めっき法、半田ペースト転写法あるいは印刷法等を用いての半田バンプの形成においては、被着された半田材の内部に異物が残り易く、当該異物が、溶融（リフロー）処理中に半田内にボイド（気泡）の発生を引き起こす恐れがある。そして、リフロー処理において、高い温度に至った場合には、当該ボイドが破裂し、微小粒状の半田材が飛散することが生じる。

前記フラックスを用いての半田接続工程にあっては、当該フラックス中に半田バンプが配置された状態でリフロー処理が施されるため、半田バンプ中に生じたボイドが破裂して微小粒状の半田材が生じても、当該微小粒状の半田材はフラックス内に止まり、当該フラックスの洗浄の際、当該フラックスと共に洗い流され、除去される。

しかしながら、水素（Ｈ_２）又は蟻酸（ＨＣＯＯＨ）等を還元剤として用いたリフロー処理方法にあっては、前記ボイドが破裂した際に飛散する微小粒状の半田材は、当該半導体素子及び／あるいは回路基板の表面に付着し、残存してしまう恐れがある。

かかる現象について、図１を参照して説明する。

当該図１は、半導体素子の電極パッド上に半田を被着し、当該半田に対し溶融（リフロー）処理を施して、略球状を有する半田バンプを形成する工程を示している。半導体素子にあっては、通常その主面上に複数個の電極パッドが配設され、当該電極パッド上にそれぞれ半田バンプが配設されるが、ここでは一つの電極パッドを示し、当該電極パッド上に半田バンプを配設する工程を示している。即ち、当該略球状を有する半田バンプが形成される半導体素子１００は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板１の一方の主面（回路素子形成面）に、酸化シリコン等の絶縁膜（層）を介してアルミニウム（Ａｌ）等からなる配線層（図示を省略）並びに電極パッド（電極層）２が配設されている。尚、必要であれば、所謂多層配線層構造が適用される。

そして、前記電極パッド２上に、下地金属層５，６を介して、茸状（マッシュルーム状）に拡がる半田層７が被着されている。（図１（ａ）参照）
かかる構造に於いて、前記配線層及び電極パッド２上などを含む半導体基板１上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）あるいは窒化シリコン（ＳｉＮ）等の無機絶縁材料からなる無機絶縁層３が配設されている。そして、前記電極パッド２上の無機絶縁層３には、開口が形成されている。更に、前記無機絶縁層３上ならびに電極パッド２上に於ける前記無機絶縁層３の開口部端面を覆って有機絶縁層４が配設されている。

当該有機絶縁層４は、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、フェノール樹脂あるいはポリベンゾオキサゾール等の有機絶縁性材料から選択される。

そして、電極パッド２に於ける、絶縁層３、４により被覆されていない領域には、チタン（Ｔｉ）あるいはクロム（Ｃｒ）からなる第１バンプ下地金属層（ＵＢＭ：Ｕｎｄｅｒ−Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）５が配設され、更に当該第１バンプ下地金属層５上には、ニッケル（Ｎｉ）あるいは銅（Ｃｕ）からなる第２バンプ下地金属層６が積層して配設されている。

かかる金属層５ならびに金属層６の積層構造体は、前記有機絶縁層４の上面にまで延在して配設されている。そして、当該金属層６上には、茸状（マッシュルーム状）を有する半田層７が配設されている。当該半田層７は、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）系半田、あるいは錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系などの所謂無鉛（鉛フリー）半田からなり、前記金属層６上に、所謂選択メッキ法により被着・形成される。当該半田層７は、その表面に酸化膜（自然酸化膜）を有する。（図示せず）
かかる構成を有する半導体基板１は、まず蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガス等の還元性ガス雰囲気に晒される（初期還元工程）。

前記半田層７が配設された半導体素子は、還元性ガス雰囲気の下、当該半田の融点以上に加熱される。これにより半田層７は溶融し、その表面張力によって外形が球状を有する半田バンプ７０となる。（図１（ｂ）参照）
この時、半田層７の表面にあった自然酸化膜は還元除去される。かかる還元性ガス雰囲気中に於ける半田バンプ７０の形成処理中、前記半田層７の形成工程に於いて取り込まれていためっき液に於ける添加剤などが気化し、当該半田バンプ７０内部にボイド（気泡）８が生じる。（図１（ｃ）参照）
前記所定時間の加熱処理により、半田バンプ７０内に生じたボイド８は、溶融状態にある半田バンプ７０中を移動して、その上表面部に至る。（図１（ｄ）参照）
この時、当該半田バンプ７０の表面には、酸化膜が存在していない。この為、当該ボイド８は破裂し、ボイド８内に存在したガス化しためっき液等の添加剤が飛散する。そして、半導体基板１の温度が半田バンプ７０の融点よりも高い場合には、ボイド８内のガス化しためっき液等の添加剤の噴出の勢いはより激しく、微小粒状の半田９の飛散をも生じてしまう。（図１（ｅ）参照）
この結果、当該半田バンプ７０の周囲に於ける半導体基板１の表面には、当該微小粒状の半田９が付着し、残存してしまう。球状化された半田バンプ７０の形成の後、半導体基板１に対する加熱を停止する。これにより、半導体基板１の温度は漸次低下し、半田バンプ７０の融点以下の温度となると、当該半田バンプ７０は凝固する。

前記微小粒状の半田９は、導電路の一部を形成する可能性を有し、当該半導体基板１から切り出され個片化された半導体素子を回路基板に搭載する場合に、当該回路基板に於ける配線層間の短絡、あるいは半導体装置の電極間の短絡などを招来して、信頼性を低下させる一因と成り得る。

この様な、半田バンプ７０中に形成されたボイド８の破裂に伴うところの、微小粒状の半田９の飛散を防止するために、当該半田バンプ７０の表面に於ける酸化膜の存在を維持する溶融（リフロー）方法が提案されている。

かかるリフロー方法について、図２を参照して説明する。

当該図２にあっても、半導体素子の電極パッド上に半田を被着し、当該半田に対しリフロー処理を施して、略球状を有する半田バンプを形成する工程を示している。即ち、此処に於いても、一つの電極パッド上に半田バンプを配設する工程を示している。なお、図２に於いて、前記図１に示した部位に対応する部位には同じ符号を付している。

即ち、当該略球状を有する半田バンプが形成される半導体素子２００は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板１の一方の主面（回路素子形成面）に、酸化シリコン等の絶縁膜（層）を介してアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等からなる配線層（図示を省略）並びに電極パッド（電極層）２が配設されている。尚、必要であれば、所謂多層配線層構造が適用される。

そして、前記電極パッド２上に、下地金属層５，６を介して、茸状（マッシュルーム状）に拡がる半田層７が被着されている。（図２（ａ）参照）
当該半田層７は、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）系半田、あるいは錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系などの所謂無鉛（鉛フリー）半田からなり、前記金属層６上に、所謂選択メッキ法により被着・形成される。そして、当該半田層７は、その表面に酸化膜（自然酸化膜）を有する。（図示せず）
かかる構成を有する半導体基板１は、まず蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガス等の還元性ガス雰囲気に晒される（初期還元工程）。当該還元処理により、半田層７の表面に形成されていた前記酸化膜は、還元除去される。かかる還元処理の後、当該半導体基板１は、還元性ガス雰囲気から除外される。即ち、前記還元性ガスの供給が停止され、酸化性雰囲気への接触が可能とされる。尚、当該酸化性雰囲気中に配置される（晒される）状態は、この工程以降保持される。

次いで、かかる当該半導体基板１は、半田の融点以上に加熱される。これにより半田層７は溶融し、その表面張力によって外形が球状を有する半田バンプ７０となる。（図２（ｂ）参照）
このとき、当該半田バンプ７０の表面には、残留酸素あるいは還元性ガスによる半田バンプの還元に伴い生じた水蒸気等に因り、酸化膜１０が形成される。かかる酸化性雰囲気中に於ける球状の半田バンプ７０の形成処理中、前記半田層７の形成工程に於いて取り込まれためっき液に於ける添加剤などが気化して、当該半田バンプ７０内にボイド（気泡）８が生じる。（図２（ｃ）参照）
前記所定時間の加熱処理により、半田バンプ７０内に生じたボイド８は、当該半田バンプ７０内を移動して、その上表面部に至る。（図２（ｄ）参照）
この時、当該半田バンプ７０の表面には、前記酸化膜１０が存在している。従って、当該半田バンプ７０の表面部に至ったボイド８は、当該酸化膜１０によりその移動が阻止され、当該半田バンプ７０の外部へ噴出しない。これにより、当該ボイド８の破裂、ならびに当該ボイド８の破裂に伴うガス化しためっき液等の添加剤等の外部への噴出、更には微小粒状の半田９の飛散が防止される。球状化された半田バンプの形成の後、半導体基板１に対する加熱を停止する。

これにより、半導体基板１の温度は漸次低下し、半田バンプ７０の融点以下の温度となると、当該半田バンプ７０は凝固する。（図２（ｅ）参照）
この結果、当該半田バンプ７０内には前記ボイド８が残存してしまう。この為、残存したボイド８は、半導体装置が当該半田バンプ７０を用いて回路基板上の電極などに接続される際に、当該半田バンプ７０の溶融と共に破裂して、ガス化しためっき液等の添加剤等の外部への噴出、更には微小粒状の半田の飛散を生じて、接続の信頼性を低下させてしまう。

本発明は、この様な従来技術に於ける問題点に鑑みてなされたものであって、溶融（リフロー）処理により半田など低融点金属からなるバンプを形成する方法であって、当該リフロー処理において、バンプ内のボイド（気泡）が破裂して、例えばガス化しためっき液等の添加剤等の外部への噴出、更には微小粒状の半田が飛散してしまうことを防止すると共に、当該ボイドを内包したままバンプが形成されることを防止することができる電極の形成方法、ならびに当該バンプを具備する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、導電体上に、電極材料を配設する段階と、前記電極材料を、当該電極材料の融点以上の温度に於いて、酸化性雰囲気に晒す段階と、溶融状態にある電極材料を、その融点以上の温度であって且つ前記酸化性雰囲気に晒す際の温度よりも低い温度に於いて、還元性ガスに晒す段階と、を含む電極の形成方法が提供される。

本発明の別の観点によれば、半導体基板上に配設された導電体上に、電極材料を配設する段階と、前記電極材料を、当該電極材料の融点以上の温度に於いて、酸化性雰囲気に晒す段階と、溶融状態にある電極材料を、その融点以上の温度であって且つ前記酸化性雰囲気に晒す際の温度よりも低い温度に於いて、還元性ガスに晒す段階と、を含む半導体装置の形成方法が提供される。

本発明によれば、還元性雰囲気を用いたリフロー処理により電極を形成する方法であって、当該リフロー処理において、電極材料中のボイドが潰れた反動で小さい球状の電極材料が外部に飛び散ることを防止し、更に、前記ボイドを内包したまま電極材料が固化されることを防止する方法及び前記電極を備えた半導体装置の製造方法を提供することができる。

本発明の実施態様について、図面を参照しつつ説明する。

本発明の実施の形態として、半導体素子の外部接続用電極端子として低融点金属体からなる突起電極、具体的には所謂半田バンプを適用する際の、当該半田バンプに対する溶融（リフロー）処理を掲げて説明する。尚、当該半田バンプを構成する半田材としては、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）系半田、あるいは錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系半田などの所謂無鉛（鉛フリー）半田を対象とする。

以下の説明にあっては、これらを含めて半田バンプと称する。

本発明の実施形態に於いて、半導体素子の電極パッド上に半田を被着し、当該半田に対し溶融（リフロー）処理を施して、略球状を有する半田バンプからなる外部接続用電極端子を形成する工程を図３に示す。尚、半導体素子にあっては、通常その主面上に複数個の電極パッドが配設され、当該電極パッド上にそれぞれ半田バンプが配設される。

また前記溶融（リフロー）処理は、通常半導体素子が複数個形成された半導体基板を対象として実施される。ここでは、一個の半導体素子に於ける一つの電極パッドを例示して、当該電極パッド上に、溶融（リフロー）処理を適用して半田バンプを配設する工程を示している。

即ち、当該略球状を有する半田バンプが形成される半導体素子３００は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板１０１の一方の主面（半導体素子形成面）に、酸化シリコン等の絶縁膜（層）を介してアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等からなる配線層（図示を省略）並びに電極パッド（電極層）１０２が配設されている。尚、必要であれば、所謂多層配線層構造が適用される。

そして、前記電極パッド１０２上に、下地金属層１０５，１０６を介して、茸状（マッシュルーム状）に拡がる半田層１０７が被着形成されている。（図３（ａ）参照）
当該半田層１０７は、例えば鉛（Ｐｂ）：９５％、錫（Ｓｎ）：５％からなる鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）系半田（融点３１４℃）をもって形成されている。

かかる構造に於いて、前記配線層及び電極パッド１０２上などを含む半導体基板１０１上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）あるいは窒化シリコン（ＳｉＮ）等の無機絶縁材料からなる無機絶縁層１０３が配設されている。

そして、前記電極パッド２上の無機絶縁層１０３には、選択的に開口が形成されている。更に、前記無機絶縁層１０３上ならびに電極パッド１０２上に於ける前記無機絶縁層１０３の開口部端面を覆って有機絶縁層１０４が配設されている。当該有機絶縁層１０４は、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、フェノール樹脂あるいはポリベンゾオキサゾール等の有機絶縁性材料から選択される。

そして、前記電極パッド１０２の表面にあって、前記無機絶縁層１０３、及び有機絶縁層１０４により被覆されていない領域には、チタン（Ｔｉ）あるいはクロム（Ｃｒ）からなる第１バンプ下地金属層（ＵＢＭ：Ｕｎｄｅｒ−Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）１０５が配設され、更に当該第１バンプ下地金属層１０５上には、ニッケル（Ｎｉ）あるいは銅（Ｃｕ）からなる第２バンプ下地金属層１０６が配設されている。

かかる第１バンプ下地金属層１０５ならびに第２バンプ下地金属層１０６の積層構造体は、前記有機絶縁層１０４の上面にまで延在して配設されている。そして、当該第２バンプ下地金属層１０６上には、茸状（マッシュルーム状）を有する半田層１０７が配設されている。

当該半田１０７は、前述の如く、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）系半田からなり、前記金属層１０６上に、所謂選択メッキ法により被着・形成される。当該半田層１０７は、その表面に酸化膜（自然酸化膜）を有する。（図示せず）
かかる半導体素子の電極構造は、例えば次の様な方法により形成される。

即ち、前記電極パッド１０２上に開口を形成するよう、無機絶縁層１０３及び有機絶縁層１０４を選択的に配設した後、当該開口内即ち電極パッド１０２の露出表面から有機絶縁層１０４上を被覆して、チタン（Ｔｉ）あるいはクロム（Ｃｒ）をスパッタリング法により被着し、第１バンプ下地金属層１０５を形成する。

次いで当該第１バンプ下地金属層１０５上にフォトレジスト層を形成し、当該フォトレジスト層に対し、選択的露光、現像、硬化処理を施して、前記電極パッド１０２上の絶縁膜開口部に対応する開口を形成する。

次いで、前記第１バンプ下地金属層１０５を電極として用いて電気メッキ処理を施し、
フォトレジスト層の開口内に、ニッケル（Ｎｉ）あるいは銅（Ｃｕ）からなる第２バンプ下地金属層１０６を被着する。

そして、更に、当該第２バンプ下地金属層１０６上に、電気メッキ方により半田を被着する。当該半田は、フォトレジスト層の上面にまで延在して被着形成される。

しかる後、当該フォトレジスト層を剥離除去し、更に、前記半田をエッチングマスクとして用いて、所謂ウエットエッチング法により、第２バンプ下地金属１０６の不要部分を除去する。

更に、不要部分が除去された第２バンプ下地金属１０６をマスクとして用い、前記第１バンプ下地金属層１０５の不要部分を除去する。

この様な方法により、半導体素子３００の電極パッド上には、それぞれ第１バンプ下地金属層１０５と第２バンプ下地金属層１０６との積層構造体を介して、茸状（マッシュルーム状）を有する半田層１０７が配設される。

本発明にあっては、この様に電極パッド上に茸状（マッシュルーム状）の半田層１０７が配設された半導体素子３００に対し、後述する半田溶融（リフロー）処理を施す。当該半田リフロー処理は、当該半導体素子が複数個形成された半導体基板に対して行われる。

尚、図３にあっては、前記半導体基板１０１の一方の主面（半導体素子形成面）に形成された半導体素子に於いて、電子回路を構成しているトランジスタなどの能動素子、容量素子などの受動素子、並びにこれらの機能素子間を接続する配線層、あるいは層間絶縁層などについては、図示することを省略している。

ここで、本発明による半田溶融（リフロー）処理を施すためのリフロー処理装置について説明する。

即ち、本発明によるリフロー処理は、例えば図５に示す構成を有するリフロー処理装置を用いて実施する。

当該リフロー処理装置５００は、還元剤として例えば蟻酸（ＨＣＯＯＨ）を用いるリフロー処理装置である。当該リフロー処理装置５００は、主たる構成要素として、密閉された略箱型の処理室（処理チャンバ）５０１、ならびに蟻酸（ＨＣＯＯＨ）のバブリング用タンク５３１を具備する。尚、図５Ｂは、当該処理室５０１の側断面を模式的に示している。

当該処理室５０１に於いては、その底部に被処理半導体基板Ｓを加熱するヒータ５０２が配設され、その電極５０３は処理室５０１の底面から外部へ導出されている。当該ヒータ５０２としては、カーボンヒータが適用される。また、前記処理室５０１の内部に於いて、一方の側面近傍にはガス供給・放出部５０４が配設されている。

当該ガス供給・放出部５０４は、当該処理室５０１の内面に沿って配設された長尺状の管状部に複数個の開口、即ちガス供給・放出孔５０４Ａが複数個配設されている。当該ガス供給・放出部５０４は、当該処理室５０１の外部に配設される蟻酸（ＨＣＯＯＨ）のバブリング用タンク５３１に接続されている。

また、前記処理室５０１の内部に於いて、前記ガス供給・放出部５０４に対向する側面には、ガス排気孔５０５が配設されている。当該ガス排気孔５０５は、排気用ポンプ（図示せず）を介してガス処理装置（図示せず）に接続されている。

前記処理室５０１の内部に於いては、更に被処理半導体基板Ｓ上に、当該被処理半導体基板Ｓの主面と略並行して、ガス整流板５０６が配設される。但し、当該ガス整流板５０６の配設は、必要に応じてなされる。

一方、前記処理室５０１のガス供給・放出部５０４に対しては、ガス供給管５５１を介して、還元剤としての例えば蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、或いは不活性ガスとしての例えば窒素（Ｎ_２）ガスの供給がなされる。

即ち、前記ガス供給・放出部５０４は、ガス供給管５５１を介して切替え部５５２に接続されており、当該切替え部５５２は、一つにガス供給管５５３を介して前記バブリング用タンク５３１に接続され、一方、ガス供給管５５４を介して窒素（Ｎ_２）ガス源（図示せず）に接続されている。

また当該バブリング用タンク５３１には、供給管５３２を介して蟻酸（ＨＣＯＯＨ）が供給され、当該蟻酸（ＨＣＯＯＨ）浴中には、窒素ガス供給管５３３を介して窒素（Ｎ_２）ガスが供給されて、当該蟻酸（ＨＣＯＯＨ）のバブリング処理がなされる。尚、当該窒素ガス供給管５３３には、質量流量制御器ＭＦＣ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）が配設され、温度及び圧力環境の変化に拘わらず窒素（Ｎ_２）ガスの流量が一定に保たれるよう制御される。

一方、前記ガス供給管５５４に於いても、質量流量制御器ＭＦＣが配設され、窒素（Ｎ_２）ガスの流量が一定に保たれるよう制御される。

即ち、当該リフロー処理装置５００にあっては、処理室５０１内に収容された被処理半導体基板Ｓに対し、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）並びに窒素（Ｎ_２）の供給・接触を可能とする。

本発明による半田溶融（リフロー）処理の実行に於ける、半導体素子３００の電極端子の形態の変化を、図３（ｂ）乃至図３（ｆ）に示す。また、かかるリフロー処理に於ける加熱・冷却処理温度ならびに処理雰囲気の時間的変化を図４に示す。

当該図４に於いて、曲線（ａ）は、リフロー処理装置５００の処理室５０１に収容された被処理半導体基板Ｓの温度変化を示す。また、曲線（ｂ）は、当該処理室５０１内への還元性ガスの供給状態（供給のＯＮ，ＯＦＦ）を示し、また曲線（ｃ）は、当該処理室５０１内への窒素（Ｎ_２）ガスの供給状態（供給のＯＮ，ＯＦＦ）を示す。

本発明にあっては、半導体素子３００が複数個形成された半導体基板Ｓを、前記リフロー処理装置５００の処理室５０１内に配置し、以下の処理を実施する。

［第１の工程］
被処理半導体基板Ｓは、当該処理室５０１に於いて、ヒータ５０２上に、半導体素子３００の電極パッド配設面、即ち茸状（マッシュルーム状）を有する半田層１０７の配設面を上面として収容・配置される。当該半田層１０７は、前述の如く、例えば鉛（Ｐｂ）：９５％、錫（Ｓｎ）：５％からなる鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）系半田（融点３１４℃）から形成されている。

そして、当該被処理半導体基板Ｓを、まず蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガス等の還元性ガス雰囲気に晒し、半導体素子３００に於いて、茸状（マッシュルーム状）を有する半田層１０７などの表面に在る酸化膜（自然酸化膜）を除去する。（初期還元工程）
かかる蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガス雰囲気への接触、即ち初期還元処理は、半田層１０７の融点（Ｔｍ）以下の温度Ｔ１、例えば３００℃に於いて、約３分間なされる。

当該蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスは、窒素（Ｎ_２）をキャリアガスとして、バブリング用タンク５３１から、ガス供給管５５３、切替え部５５２及びガス供給管５５１を介して処理室５０１へ供給され、ガス供給・放出部５０４のガス放出孔５０４Ａから被処理半導体基板Ｓ上に放出される。

［第２の工程］
次いで、処理室５０１内への蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスの供給を停止し、当該還元性雰囲気を、窒素（Ｎ_２）雰囲気へと切り換える。そして前記被処理半導体基板Ｓを、前記半田層１０７の融点（Ｔｍ）以上の温度（Ｔ２）、例えば３７０℃迄漸次昇温せしめる。かかる昇温処理は、例えば４０℃／分ほどの温度勾配とされる。

この時、処理室５０１内の蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスの排気は、排気用ポンプ（図示せず）を作動させることにより、前記ガス排気孔５０５を介してなされる。

また、窒素（Ｎ_２）ガスの供給は、前記切替え部５５２を作動させることにより、前記窒素源から、ガス供給管５５４、切替え部５５２及びガス供給管５５１を介してなされる。当該窒素（Ｎ_２）ガス中には、微量の酸素或いは水蒸気からなる酸化性ガスが添加されている。

かかる加熱処理により、前記半田層１０７は溶融し、その表面張力により略球形を呈して、球状半田２０７となる共に、その表面には酸化膜１０８が形成される。（図３（ｂ）参照）
尚、還元性雰囲気を窒素（Ｎ_２）雰囲気へ切り替える際、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスを排気せず、処理室５０１内に残留させても良い。かかる場合には、処理室５０１内に残存する蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスによる半田層の還元に伴い生じた水蒸気によって、球状半田２０７の表面を酸化して、当該表面に酸化膜１０８を生じせしめることができる。

即ち、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスは、約１８０℃に加熱されると、二酸化炭素（ＣＯ _２ ）と水素（Ｈ _２ ）に分解し還元性が消滅する。しかしながら、かかる場合、処理室５０１内の容積が十分小であることが要求される。この為、例えば前記処理室５０１を密閉し、当該蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスの流入及び流出を停止して、ヒータ５０２により当該処理室５０１内を１８０℃以上に加熱する。これにより、当該処理室５０１内に在る蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスは分解し、二酸化炭素（ＣＯ _２ ）と水素（Ｈ _２ ）が生成される。

また、前記ガス整流板５０６の配設により、被処理半導体基板Ｓ上に於けるガス流を制限して、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスによる還元で生じる水蒸気による酸化の効率を高めることもできる。

［第３の工程］
次いで、処理室５０１内の、前記半田層１０７の融点以上の温度である高温（Ｔ２、３７０℃）状態、ならびに微量の酸化性ガスが添加された窒素（Ｎ_２）雰囲気は、所定時間、例えば５分間維持される。かかる、窒素（Ｎ_２）雰囲気中に於ける高温加熱処理により、形成された球状半田２０７、即ち球状化されたれ半田内には、半田層１０７の形成の際に取り込まれためっき液における添加剤などが気化し、ボイド１０９が生じる。（図３（ｃ）参照）
前記窒素（Ｎ_２）雰囲気中に於ける所定時間の高温加熱処理の後、同じく窒素（Ｎ_２）雰囲気中に於いて、加熱温度を半田の融点以上の温度であって且つ融点近傍の温度にまで、例えば３０℃／分ほどの温度勾配をもって漸次低下せしめる。

この時、前記ボイド１０９は、球状半田２０７内を移動し、当該球状半田２０７の上部、即ち前記電極パッド１０２からより遠い側へ移動して、当該球状半田２０７の表面を覆う酸化膜１０８近傍に至る。（図３（ｄ）参照）
［第４の工程］
次いで、当該半田の融点以上の温度（Ｔ３、３３０℃〜３４０℃）を維持しつつ、処理室５０１内雰囲気を窒素（Ｎ_２）雰囲気から蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスを主体とする還元性ガス雰囲気に切り換え、所定の時間、例えば３分間維持する。かかる還元性雰囲気中に於ける、融点以上の温度（Ｔ３）による加熱処理により、球状半田２０７の表面に存在した酸化膜１０８が還元除去されると共に、当該酸化膜１０８の除去により開放された球状半田２０７の表面からは前記ボイド１０９が放出される。（図３（ｅ）参照）
即ち、当該球状半田２０７の内部に生じていたボイド１０９の放出がなされる。

この時、当該球状半田２０７を含め被処理半導体基板Ｓは、球状半田２０７の融点より若干高い温度に加熱されているため、当該ボイド１０９の放出は所謂噴出との形態をとらず速やかになされ、半田材の飛散を生じない。

また、当該球状半田２０７は、融点以上の温度にあるため、ボイド１０９が放出されることにより生じる表面の凹部も速やかに球状に復帰する。尚、仮にボイド１０９の内面に酸化物層が存在したとしても、還元性ガスによって当該酸化物層を還元除去することができることから、当該ボイド１０９は速やかに除去される。

［第５の工程］
しかる後、引き続き還元性雰囲気中に於いて、前記半導体基板Ｓに対する加熱を停止して、例えば２５℃／分ほどの温度勾配をもって漸次冷却する。かかる冷却により、融点（Ｔｍ）以下の温度とされた前記球状半田２０７は凝固に至る。（図３（ｆ）参照）
そして、取り出し可能な温度となった半導体基板Ｓは、当該リフロー処理装置５００から搬出される。尚、この様な本発明にかかる球状半田（半田バンプ）の溶融（リフロー）処理工程にあっては、還元性ガスとして蟻酸（ＨＣＯＯＨ）を適用しているが、当該蟻酸に代えて水素（Ｈ_２）を適用することもできる。

また、本発明にかかる球状半田（半田バンプ）の半田溶融（リフロー）処理工程にあっては、前記処理室５０１内の処理雰囲気は、処理状況に対応して還元性雰囲気或いは酸化性雰囲気に変更されるが、当該処理室５０１内の圧力は、１００Ｐａ乃至大気圧に維持される。かかる圧力に維持されることにより、各工程に於ける処理温度が維持される。

そして、この様な本発明による製造工程にあっては、被処理半導体基板Ｓに対する加熱処理温度並びに処理雰囲気を切り換えることにより、当該半導体基板Ｓに形成された半導体素子に於いて、その電極部を構成する半田材の球状化処理、ならびに当該球状化される半田材の内部に生ずるボイドの放出・除去を、速やかに且つ当該球状半田を構成する半田材の飛散を招来することなく実施することができる。

即ち、前記第２の工程乃至第３の工程にあっては、酸化性雰囲気中に於ける加熱処理により球状化される半田バンプ２０７の表面には、酸化膜１０８が生成され、その存在は維持される。従って、半田バンプ２０７の内部に生じたボイド１０９は、当該酸化膜１０８によって、当該半田バンプ２０７の外部への噴出が阻止される。

そして、前記第４の工程にあっては、還元性雰囲気中に於けるところの、当該半田バンプの融点以上の温度に於ける加熱処理により、球状化されている半田バンプ２０７の表面からは酸化膜１０８が除去される。そして当該酸化膜１０８が除去されることにより開放された半田バンプ２０７の表面からは、前記ボイド１０９が速やかに放出され、微小粒状の半田の飛散等を生じない。

また、半田バンプ２０７の形成段階において、ボイド１０９が除去されることにより、当該半導体素子３００を電子機器などに搭載する際には、球状半田を構成する半田材の飛散などが生じない。

従って、微小粒状の半田による短絡などを生じることがなく、高い信頼性をもって電子機器を製造することができる。尚、前記第１の工程に於ける初期還元工程によって、茸状（マッシュルーム状）を有する半田層１０７の表面に存在していた自然酸化膜を除去しておくことにより、第２の工程以降の工程を速やかに実施することができる。

一方、前記半田として、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系半田など、所謂鉛フリー半田を適用する場合には、当該鉛フリー半田の融点（２２５℃〜２３０℃）に対応して、前記第１の工程乃至第４の工程のそれぞれに於ける処理温度が設定される。

ところで、前記実施の形態にあっては、被処理半導体基板Ｓを処理室５０１内に収容し、当該被処理半導体基板Ｓに対し、加熱温度、処理雰囲気を順次切り換えて処理することにより、球状化された半田（半田バンプ）を形成した。

かかる溶融（リフロー）処理は、被処理半導体基板の移送機構を具備した連続リフロー処理装置を用いて実施することもできる。

当該連続リフロー処理装置は、図６並びに図７に示す構成を有する。また、当該連続リフロー処理装置に於いては、溶融（リフロー）処理工程の実施に於いて、図８に示す温度分布を有する。

図６、図７に示される様に、当該連続リフロー処理装置６００にあっては、被処理半導体基板Ｓは、当該連続リフロー処理装置６００の基体６０１の上部に配設されたベルトコンベア６０２により、図面上、左側からが右側へと順次搬送され、当該搬送過程中に於いて種々の処理が施される。

即ち、当該連続リフロー処理装置６００にあっては、被処理半導体基板Ｓを移送するベルトコンベア６０２の上方に、被処理半導体基板Ｓの挿入側より、第１の窒素（Ｎ_２）ガスによる外気遮断部６０３、第１の還元性ガスによる処理部６０４、酸化性ガスを含む窒素（Ｎ_２）ガスによる処理部６０５、第２の還元性ガスによる処理部６０６、及び第２の窒素（Ｎ_２）ガスによる処理部６０７が、順次配設されている。これらの処理部は、カバー６０８により覆われている。

また、前記ベルトコンベア６０２の下には、前記各処理部に対応して、複数個の加熱用ヒータ６０９ａ乃至６０９ｆが配設されており、またベルトコンベア６０２はローラー６１０により移動可能に支持されている。尚、前記各処理部の下には、排気ユニットが配設されている。（図示せず）
かかる構成に於いて、前記処理部６０３は、窒素（Ｎ_２）ガスを用いて所謂エアーカーテンを形成することにより、処理部６０４以降の工程と外気との遮断を行っている。

ベルトコンベア６０２による移動に伴い、被処理半導体基板Ｓは、処理部６０４に於いて、温度Ｔ１（３００℃程）に加熱されると共に、例えば蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスを主体とする還元性ガスに晒されて、茸状（マッシュルーム状）を有する半田の表面の酸化膜が除去される。［第１の工程］
ベルトコンベア６０２による移送に伴い、被処理半導体基板Ｓは、次いで、処理部６０５に於いて、半田の融点以上の温度である高温Ｔ２（３７０℃程）に加熱されると共に、酸化性ガスを含む窒素（Ｎ_２）ガスに晒される。［第２の工程］
かかる、酸化性ガスを含む窒素（Ｎ_２）雰囲気中に於ける高温加熱処理により、前記半田層は溶融し、その表面張力により略球形を呈して球状の半田が形成される共に、当該球状半田の表面には酸化膜が生成される。また、当該球状半田内には、半田層の形成の際に取り込まれためっき液における添加剤などが気化してボイドが生じる。

尚、前記処理部６０４から処理部６０５に至る間、被処理半導体基板Ｓに対する加熱を所定の温度勾配をもって連続して行うことも可能であるが、例えば図８に示される工程の如く、半田の融点以上の温度よりも若干高い温度に於いてある時間一定の温度に維持することにより、当該ベルトコンベア６０２による移送速度並びに移送時間の調整を行うこともできる。かかる場合、半田の融点以上の温度よりも若干高い温度としては、例えば、後述する第４の工程に於ける処理温度Ｔ３と同等の温度を適用することができる。

前記ベルトコンベア６０２による移動に伴い、被処理半導体基板Ｓは、次いで処理部６０５の後半に於いて、同じく窒素（Ｎ_２）雰囲気中にあって、加熱温度を半田の融点以上で且つ融点近傍の温度にまで例えば３０℃／分ほどの温度勾配をもって漸次低下せしめる。［第３の工程］
この時、前記ボイドは、球状半田内を移動し、当該球状半田の上部、即ち前記電極パッドからより遠い側へ移動し、当該球状半田の表面を覆う酸化膜の近傍に至る。

ベルトコンベア６０２による移動に伴い、当該被処理半導体基板Ｓは、次いで処理部６０６に於いて、半田の融点以上の温度である温度Ｔ３（３３０〜３４０℃程）に加熱されつつ、再び還元性ガスに晒される。［第４の工程］
かかる還元性雰囲気中に於ける半田の融点以上の加熱処理により、球状半田の表面に存在した酸化膜が還元除去されると共に、当該酸化膜の除去により開放された半田の表面からは前記ボイドが放出される。

しかる後、更なるベルトコンベア６０２による移送に伴い、当該被処理半導体基板Ｓは、処理部６０７に於いて、窒素（Ｎ_２）ガスに晒されつつ、半田の融点以下の温度まで冷却され、前記球状半田は凝固に至る。［第５の工程］
即ち、本発明は、前記図４に示したリフロー処理装置の適用による所謂バッチ式処理に限られず、ベルトコンベアを適用しての連続処理に於いても実施することができる。

勿論、本実施の形態にあっても、前記半田として、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系の半田など所謂鉛フリー半田を適用する場合には、当該鉛フリー半田の融点（２２５℃〜２３０℃）に対応して、前記第１の工程乃至第４の工程のそれぞれに於ける処理温度が設定される。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形及び変更が可能である。

即ち、前記実施の形態にあっては、被処理基板として半導体基板を掲げ、当該半導体基板上の電極パッドに半田バンプを形成するリフロー処理法について説明したが、本発明はかかる形態に限られるものではなく、任意の被処理基板の端子又はパッド上に半田バンプを形成する処理に対しても適用することができる。

例えば、ガラスエポキシ等の絶縁性樹脂又はセラミック等を主体し、少なくともその表面に配線・電極が配設された回路基板（配線基板、支持基板或いはインターポーザーとも称される）等に於いて、その電極端子部に半田バンプを形成するためのリフロー処理に対しても、本発明を適用することができる。

更に、半田バンプなどを用いて、半導体素子或いは電子部品を、回路基板（配線基板、支持基板或いはインターポーザーとも称される）上の電極に固着する際にも、本発明を適用することができる。

不活性ガスとしては、窒素（Ｎ_２）のほかに、例えばヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）などを用いることができる。

以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１）
導電体上に、電極材料を配設する段階と、
前記電極材料を、当該電極材料の融点以上の温度に於いて、酸化性雰囲気に晒す段階と、
溶融状態にある電極材料を、その融点以上の温度であって且つ前記酸化性雰囲気に晒す際の温度よりも低い温度に於いて、還元性雰囲気に晒す段階と、
を含むことを特徴とする電極の形成方法。
（付記２）
前記電極材料を酸化性雰囲気に晒す前に、前記電極材料を還元性雰囲気に晒す工程を含むことを特徴とする付記１に記載の電極の形成方法。
（付記３）
前記還元性雰囲気は、蟻酸ガスを含むことを特徴とする付記１又は２に記載の電極の形成方法。
（付記４）
前記酸化性雰囲気は、前記蟻酸ガスによる前記電極材料の還元に伴い生じた水蒸気により生成されることを特徴とする付記３に記載の電極の形成方法。
（付記５）
前記蟻酸ガスを閉じ込めて熱分解することを特徴とする付記４に記載の電極の形成方法。
（付記６）
前記電極材料を酸化性雰囲気に晒す前に、前記還元雰囲気を排除することを特徴とする付記２に記載の電極の形成方法。
（付記７）
前記酸化性雰囲気は、水蒸気を含むことを特徴とする付記１又は２に記載の電極の形成方法。
（付記８）
前記酸化性雰囲気は、不活性ガスを含むことを特徴とする付記７に記載の電極の形成方法。
（付記９）
前記電極材料は、低融点金属であることを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の電極の形成方法。
（付記１０）
前記電極材料は半田であることを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の電極の形成方法。
（付記１１）
半導体基板上に配設された導電体上に、電極材料を配設する段階と、
前記電極材料を、当該電極材料の融点以上の温度に於いて、酸化性雰囲気に晒す段階と、
溶融状態にある電極材料を、その融点以上の温度であって且つ前記酸化性雰囲気に晒す際の温度よりも低い温度に於いて、還元性雰囲気に晒す段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置の形成方法。
（付記１２）
前記電極材料を酸化性雰囲気に晒す前に、前記電極材料を還元性雰囲気に晒す工程を含むことを特徴とする付記１１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）
前記還元性雰囲気は、蟻酸ガスを含むことを特徴とする付記１１又は１２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１４）
前記酸化性雰囲気は、前記蟻酸ガスによる前記電極材料の還元に伴い生じた水蒸気により生成されることを特徴とする付記１３に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１５）
前記蟻酸ガスを閉じ込めて熱分解することを特徴とする付記１４に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１６）
前記電極材料を酸化性雰囲気に晒す前に、前記還元性雰囲気を排除することを特徴とする付記１２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１７）
前記酸化性雰囲気は、水蒸気を含むことを特徴とする付記１１又は１２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１８）
前記酸化性雰囲気は、不活性ガスを含むことを特徴とする付記１７に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１９）
前記電極材料は、低融点金属であることを特徴とする付記１１乃至１８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
（付記２０）
前記電極材料は、半田であることを特徴とする付記１１乃至１８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

従来のリフロー処理方法（その１）を示す工程断面図である。 従来のリフロー処理方法（その２）を示す工程断面図である。 本発明による電極の形成方法を示す工程断面図である。 本発明による電極の形成方法に於ける処理温度の変移と、処理気体の導入推移を示す曲線図である。 本発明による電極の形成方法に適用されるリフロー処理装置の概略構成を示す図である。 図５Ａに示すリフロー処理装置の処理室（処理チャンバ）の側断面図である。 本発明による電極の形成方法に適用される連続リフロー処理装置の概略構成を示す外観斜視図である。 連続リフロー処理装置の構成を示す断面図である。 連続リフロー処理装置を用いての電極の形成方法に於ける処理温度の変移を示す曲線図である。

符号の説明

１，１０１ 半導体基板
２，１０２ 電極パッド
３，１０３ 無機絶縁層
４，１０４ 有機絶縁層
５，１０５ 第１バンプ下地金属層
６，１０６ 第２バンプ下地金属層
７，１０７ 半田層
８，１０９ ボイド（気泡）
９ 微小粒状の半田
１０，１０８ 酸化膜
７０，２０７ 半田バンプ
１００，２００，３００ 半導体素子
５００ リフロー処理装置
５０１ 処理室
５０２、６０９ ヒータ
５３１ バブリング用タンク
５５２ 切替え部
６００ 連続リフロー処理装置
６０２ ベルトコンベア
６０４ 処理部

Claims (10)

1. 導電体上に、電極材料を配設する段階と、
   前記電極材料を、当該電極材料の融点より高い温度に於いて、酸化性雰囲気に晒す段階と、
   前記酸化性雰囲気に晒す段階の後で溶融状態にある前記電極材料を、前記電極材料の融点以上の温度であって且つ前記酸化性雰囲気に晒す際の温度よりも低い温度に於いて、還元性雰囲気に晒す段階と、
   を含むことを特徴とする電極の形成方法。
2. 前記電極材料を酸化性雰囲気に晒す前に、前記電極材料を還元性雰囲気に晒す工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の電極の形成方法。
3. 前記還元性雰囲気は、蟻酸ガスを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電極の形成方法。
4. 前記還元性雰囲気は、蟻酸ガスを含み、
   前記酸化性雰囲気は、前記蟻酸ガスによる前記電極材料の還元に伴い生じた水蒸気により生成されることを特徴とする請求項２に記載の電極の形成方法。
5. 前記酸化性雰囲気は、水蒸気を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電極の形成方法。
6. 半導体基板上に配設された導電体上に、電極材料を配設する段階と、
   前記電極材料を、当該電極材料の融点より高い温度に於いて、酸化性雰囲気に晒す段階と、
   前記酸化性雰囲気に晒す段階の後で溶融状態にある前記電極材料を、前記電極材料の融点以上の温度であって且つ前記酸化性雰囲気に晒す際の温度よりも低い温度に於いて、還元性雰囲気に晒す段階と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記電極材料を酸化性雰囲気に晒す前に、前記電極材料を還元性雰囲気に晒す工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記還元性雰囲気は、蟻酸ガスを含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記還元性雰囲気は、蟻酸ガスを含み、
   前記酸化性雰囲気は、前記蟻酸ガスによる前記電極材料の還元に伴い生じた水蒸気により生成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記酸化性雰囲気は、水蒸気を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。

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